DE3612733C2

DE3612733C2 -

Info

Publication number: DE3612733C2
Application number: DE3612733A
Authority: DE
Inventors: Gerard Fortunato; Dominique Lyon Fr Laurent
Original assignee: Elf France SA
Current assignee: Elf Antar France
Priority date: 1985-04-25
Filing date: 1986-04-16
Publication date: 1992-08-06
Also published as: GB2174198A; JPS61250543A; GB2174198B; US4732480A; FR2581190A1; DE3612733A1; GB8609397D0; FR2581190B1

Description

Die Erfindung betrifft ein interferometrisches Gerät gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 29 10 945 A1 ist ein derartiges Gerät entnehmbar, dessen interferometrische Einrichtung auch ein Filter für UV-Bestrahlung enthält.

Aus der DE 26 04 471 A1 ist es bekannt, zwei Wollaston-Prismen einzusetzen, jedoch nur als Strahlenteiler. Der Polarisator und der Analysator sind dabei von den Prismen getrennte Elemente.

Aus der US-PS 44 80 916 ist ein Interferometer zur Vermessung optischer Oberflächen mit höchster Genauigkeit mittels polarisiertem, monochromatischem Licht bekannt. Dabei wird zur Oberflächenvermessung ein photoelektrischer Modulator eingesetzt.

Schließlich sind aus der DE 25 13 358 B1 und aus dem US-Buch: Strobel, Howard A.: Chemical Instrumentation, 2. Aufl., Addison-Wesley Publ. Comp. 1973, S. 339-343 verschiedene Anordnungen von Gittern in Verbindung mit Ein- und Austrittsspalten bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung oder analytischen Untersuchung von Gasen zu schaffen, das hochempfindlich ist und das außerdem ohne Schwierigkeiten mehrere Gase analysieren kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch einen geringen, etwa 100 nm betragenden Krümmungsradius des Gitters wird es ermöglicht, eine hohe Durchlässigkeit von etwa 40% zu erzielen, wobei die Grenz- oder Trennfrequenzen, sowie das Paßband dieses Systems scharf festgelegt sind, so daß es sich durchaus zur Verwendung als Filter eignet.

Ferner können sowohl die Trennfrequenzen, wie auch das Paßband durch Veränderung der Breite der Spalte eingestellt werden, und dieses Gerät gestattet es, sich auf mehrere Spektralbereiche auszurichten, indem man entweder die Spalte unveränderlich beibehält und das Gitter dreht, oder mehrere den gewünschten Spektralbereichen entsprechende Spalte vorsieht und dieselben durch wahlweise Abdeckung der verschiedenen Bereiche einsetzt.

Wie nachstehend dargelegt, kann auch ein ebenes Gitter verwendet werden, oder allgemein gesagt, jegliche mit einem Gitter versehene Multiplexeranordnung.

Nachstehend werden einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren des Näheren beschrieben.

Fig. 1 stellt schematisch ein interferometrisches Gerät zum Nachweisen bzw. Analysieren von Gasen dar;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Teils des Geräts nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematisch einen Teil einer Ausführungsform des Geräts mit zwei Doppelbrechungsplatten zur gleichzeitigen Untersuchung mehrerer Gase;

Fig. 4 zeigt schematisch den Ausgang einer Ausführungsform des interferometrischen Geräts mit einem ebenen Gitter.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsform des interferometrischen Geräts umfaßt eine Lichtquelle S (beispielsweise eine Jod-Quarzlampe für Wellenlängen von mehr als 280 nm, oder eine Deuteriumlampe für Wellenlängen von weniger als 280 nm), einen Lichtquellenschlitz F₀, zwei Objektive O₁ und O₂ (beispielsweise mit einer jeweiligen Brennweite von 100 mm), deren optische Achsen zusammenfallen und auf den Schlitz F₀ ausgerichtet sind, sowie, zwischen diesen Objektiven angeordnet, von O₁ ausgehend in nachstehender Reihenfolge, einen Gasbehälter C und eine interferometrische Einrichtung I, die nachstehend des Näheren beschrieben wird, und an deren Ausgang ein Schlitz F₁ angeordnet ist, in welchem das Bild des Schlitzes F₀ durch das Objektiv O₁, den Behälter C, die interferometrische Einrichtung I und das Objektiv O₂ hindurch erzeugt wird. Der Schlitz F₁ bildet den Eingangsschlitz für ein konkaves holographisches Gitter H mit kleinem Krümmungsradius und wirkt mit einem Ausgangsschlitz F₂ zusammen, der vor dem empfindlichen Element eines Meßwertaufnehmers PM angeordnet ist und unter dem Einfluß von auf ihn einfallendem Licht ein Signal A abgibt.

Die Interferometrie-Einrichtung I umfaßt zwei gleichartige Doppelbild-Polarisationsprismen W₁ und W₂, zwischen denen eine Doppelbrechungsplatte L und ein photoelastischer Modulator M angeordnet sind. Die beiden unter sich gleichartigen Doppelbild-Polarisationsprismen W₁ und W₂ können beispielsweise zwei Wollastonprismen oder zwei Rochonprismen od. dgl. sein. Sie können z. B. aus Magnesiumfluorid bestehen, und ihre Bauteile sind haftfähig (aber nicht geklebt). Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur sind die Prismen W₁ und W₂ durch Wollastonprismen gebildet.

Zwecks Einstellung der gewünschten Übertragungsdifferenz (Phasenunterschied) ist die Doppelbrechungsplatte L einer Temperaturregelung unterworfen.

Der photoelastische Modulator M besteht aus einer durch piezoelektrische Keramik erregte SiO₂ oder CaF₂-Platte und bildet folglich eine durch Druck regulierbare Doppelbrechungsplatte. Die optische Achse des Modulators M ist zu derjenigen der Platte L parallel.

Fig. 2 illustriert die Arbeitsweise der die beiden Wollastonprismen W₁ und W₂ umfassenden Interferometrie-Einrichtung I.

Das Prisma W₁ erzeugt, von einer ebenen, natürlichen Lichtwelle ausgehend, zwei unabhängige und in zwei zueinander senkrechten Richtungen P₁ und P₂ polarisierte Wellen. Die Achsen des photoelastischen Modulators M und der Doppelbrechungsplatte L sind parallel zueinander und bilden Winkel von 45° mit P₁ und P₂, so daß sie zwei zueinander parallele Polarisationswellenpaare (V₁, V′₁) und (V₂, V′₂) erzeugen. Die Wellen eines jeden Wellenpaares sind kohärent, um Φ phasenverschoben und zueinander senkrecht polarisiert (unter 45° in bezug auf P₁ oder P₂). Das Prisma W₂ erzeugt für jedes vorangehende Wellenpaar zwei neue Wellenpaare (A₁, A′₁), (A₂, A′₂) mit zwei parallelen und parallel polarisierten Wellen.

Somit treten am Ausgang die Paare 1, 2, 3 und 4 auf. Zwischen den beiden Wellen liegt Interferenz vor und sie werden durch das Objektiv O₂ im Punkt 1 mit einer zu (1+cos Φ) proportionellen Lichtstärke gesammelt. Die beiden Wellen 4 werden desgleichen mit einer zu (1+cos Φ) proportionellen Lichtstärke im Punkt 4 gesammelt. Die Wellenpaare 2 und 3 sind parallel und werden mit einer zu 2 (1-cos Φ) proportionellen Lichtstärke im Brennpunkt von O₂ gesammelt.

Zwecks Auswertung muß einer der Sammelpunkte isoliert werden; vorzugsweise wird hierbei der Brennpunkt des Objektivs O₂ gewählt, da dort das Bild eine Lichtstärke besitzt, die doppelt so groß ist wie diejenige der beiden anderen Bilder. Dies wird durch eine geeignete Anordnung des Schlitzes F₁ erzielt (s. Fig. 1).

Wie ersichtlich, ist das oben beschriebene Gerät für die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Gase verwendbar.

Hierbei müssen die verschiedenen nachzuweisenden Gase jedoch notwendigerweise ein Absorptionsband besitzen, das in einem und demselben Spektralbereich liegt, zum Beispiel im Bereich von 180 bis 1000 nm, damit man ein und dieselbe Strahlungsquelle, ein und denselben Meßwertaufnehmer und ein und dasselbe holographische Gitter verwenden kann.

Theoretisch entspricht jeder Gas-Feinstruktur eine optimale Dicke der Doppelbrechungsplatte; jedoch ist die zulässige Maßabweichung hier nicht besonders eng. In der Tat erfolgt das Anwachsen der Interferenzstreifen einer Feinstruktur mit einer Periode δσ (wobei σ die 1/λ entsprechende Wellenzahl darstellt) bei einem Phasenunterschied von

wobei jedoch einige Dutzend Interferenzstreifen mit ausgeprägtem Kontrast wiedererscheinen.

Bei SO₂-Gas liegen folgende Verhältnisse vor:

Δ=eΔn=100λ±10λ;

wobei e die Dicke und Δn die Doppelbrechung darstellt.

Für e beträgt die zulässige Abweichung (Toleranz) Δe=10λ/Δn;
für Δn=10^-2,
λ=300 nm (ultraviolett), oder Δe=0,3 nm,
somit kann die Dicke zwischen 2,7 und 3,3 mm liegen.

Die Toleranz ist um so größer, je weniger das Spektrum periodisch ist. Die Erfahrung hat gelehrt, daß man vermittels ein und derselben Platte gleichzeitig SO₂, NO₂, NO und O₃ untersuchen kann, was bei Umgebungsmessungen und Abgabemessungen äußerst vorteilhaft ist.

Wenn eine einzige Platte für die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Gase nicht hinreichend ist, können mehrere Platten geeigneter Stärke gebündelt verwendet werden.

Beispielsweise können, wie in Fig. 3 dargestellt, zwei Platten kombiniert werden. Die beiden Doppelbrechungsplatten L_1,2 (Dicke e_1,2) haben parallele Achsen, die unter 45° zu denjenigen des photoelastischen Modulators M geneigt sind.

Diese Anordnung ermöglicht es, gleichzeitig über eine Plattendicke von e₁+e₂ und eine Plattendicke von e₁-e₂ zu verfügen.

Fig. 4 zeigt teilweise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen interferometrischen Geräts, bei dem das konkave holographische Gitter H durch ein ebenes holographisches oder graviertes Gitter H′ ersetzt ist, welches unmittelbar hinter dem zweiten Wollastonprisma W₂ angeordnet ist, derart, daß die Linien dieses Gitters H′ horizontal, d. h. parallel zur Ebene der Fig. 4 liegen. Das Sammelobjektiv O₂ gemäß Fig. 1 und 2, das zwischen dem Prisma W₂ und dem Schlitz F₁ angeordnet ist, wurde hier durch ein Objektiv O′₂ ersetzt, welches dem Gitter H′ nachgeordnet ist und auf dem empfindlichen Element des Meßwertaufnehmers PM, der ein Signal A abgibt, ein Bild F′ des Lichtquellenschlitzes F₀ erzeugt.

Wie vorstehend beschrieben, wird ein mittleres Bild mit einer Lichtstärke erzeugt, die der doppelten Lichtstärke der beiden seitlichen Bilder entspricht, und vorteilhafterweise wird dieses mittlere Bild benutzt.

Claims

1. Interferometrisches Gerät zur Bestimmung oder analytischen Untersuchung von Gasen, mit einem optischen System, das ein Bild einer Lichtquelle (S) auf dem empfindlichen Element eines Meßwertaufnehmers durch einen das zu analysierende Gasgemisch enthaltenden Behälter (C) hindurch erzeugt, wobei hinter dem Behälter (C) eine interferometrische Einrichtung (I) angeordnet ist, die eine zwischen einem Analysator und einem Polarisator angeordnete Doppelbrechungsplatte (L) umfaßt und mit Modulationsmitteln zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Analysator und der Polarisator aus zwei Polarisationsprismen (W₁, W₂) bestehen, deren optische Achsen zu derjenigen des Geräts senkrecht liegen und die je zwei photometrisch gleiche, aber senkrecht zueinander polarisierte Bilder erzeugen;
daß die Modulationsmittel einen zwischen dem Analysator und dem Polarisator angeordneten photoelastischen Modulator (M) in Form einer mit piezoelektrischen Keramikmitteln schwingungserregten Platte aus SiO₂ oder CaF₂, deren Achse zu derjenigen der Doppelbrechungsplatte (L) parallel ist, aufweist, wobei das Doppelbrechungsvermögen der schwingungserregten Platte durch Druckeinwirkung veränderlich ist; und
daß eine Gitter-Multiplexereinrichtung (H, H′) vorgesehen ist, die der interferometrischen Einrichtung (I) in Durchleuchtungsrichtung nachgeordnet und dem Meßwertaufnehmer vorgeschaltet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter-Multiplexereinrichtung ein konkaves holographisches Gitter (H) und einen Eingangsspalt (F₁) umfaßt, in welchem das Bild eines der Lichtquelle (S) zugeordneten Lichtquellenspaltes (F₀) erzeugt wird, sowie einen dem Eingangsspalt (F1) zugeordneten Ausgangsspalt (F₂), der dem Meßwertaufnehmer gegenüberliegt.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsspalt (F₁) und der Ausgangsspalt (F₂) ortsfest angeordnet sind, während das Gitter (H) nach Maßgabe des gewählten Spektralbereichs drehbar ist.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangsspalt (F₁) mehrere Ausgangsspalte (F₂) zugeordnet sind, die nach Maßgabe der gewünschten Spektralbereiche wählbar sowie wahlweise abdeckbar sind.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter-Multiplexereinrichtung durch ein geritztes oder holographisches, ebenes Gitter (H′) gebildet ist, welches unmittelbar hinter dem zweiten Polarisationsprisma (W₂) angeordnet ist und dem ein Objektiv (O′₂) zur Sammlung der von einem der Lichtquelle (S) zugeordneten Lichtquellenspalt (F₀) ausgehenden Strahlen auf einem dem Meßwertaufnehmer gegenüberliegenden Ausgangsspalt (F′) nachgeordnet ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben der schwingungserregten Platte wenigstens zwei Doppelbrechungsplatten (L₁, L₂) vorgesehen sind.